Acqua e vento. La generazione diretta di energia elettrica

Transcript

1 Acqua e vento La generazione diretta di energia elettrica

2 La conversione meccanico elettrica Principio induzione elettromagnetica: muovendo un filo elettrico all interno di un campo elettromagnetico si crea nel filo una tensione e, se ai capi del filo c è un carico, una corrente elettrica. Il generatore deve rendere possibile la creazione del campo elettromagnetico ed il movimento dei conduttori all interno del campo in modo da generare tensione e corrente elettrica. Nella generazione sono utilizzate macchine a corrente trifase (380 V, f = 50 Hz) La tensione indotta può variare con il numero di poli p, il numero delle spire N, la velocità del rotore ω, il flusso magnetico Φ

3 Schema del funzionamento di un campo magnetico rotante. La direzione del flusso totale Φ ruota in modo continuo seguendo il campo trifase

4 L eolico quando soffia un forte vento, alcuni costruiscono muri, altri mulini a vento.

5

6

7

8

9

10 Tipologie Asse orizzontale Asse verticale Ibridi Componenti A) struttura di sostegno B) struttura di alloggiamento C) sottosistema di orientamento D) sottosistema di protezione esterna E) Rotore - moltiplicatore di giri - generatore elettrico - sistema di regolazione - sistema di attuazione - freno F) sistema di controllo macchina G) sistema di connessione alla rete

11

12 Sistema rotore Su di esso sono inserite le pale che possono ruotare a velocità w > 200 km/h Le pale possono essere in numero diverso Il tripala ad asse orizzontale è il generatore più affermato per efficienza, affidabilità e semplicità di progetto Il generatore lavoro a due intervalli di velocità: a avviamento (w ~ 5 7 m/s) b livello superiore ( w ~ m/s) Potenza estraibile: P v 3 A v 3 r 2 v = velocità del vento A = area ortogonale alla direzione del vento (di raggio r) Il coefficiente di proporzionalità si attesta su 0,42 0,45 (massima resa)

13 Teorema di Betz Ipotesi: fluido incomprimibile (ρ = cost.), flusso stazionario, assenza di vortici, assenza di attrito P max = 0,25 ρ A 1 w 03 (1 f 2 ) (1 + f) A 1 = sezione pale w 0 = velocità vento f = frazione della velocità iniziale cui si porta il vento all uscita del generatore eolico f max = 1/3 Il massimo rendimento ottenibile è pari a 59,3% Se utilizziamo generatori che sfruttano la resistenza dell aria, il massimo rendimento scende al 20%, poiché occorre riferirsi ad un coefficiente di resistenza c r. La potenza risulta: P max = 0,5 ρ A c w v3 c r (1 f 2 ) f f = frazione della velocità del vento w v cui si riduce la velocità del corpo resistente.

14 Prestazioni La potenza prodotta dal rotore varia in funzione del parametro λ rapporto tra la velocità di punta e la velocità del vento: mentre la potenza P è indicata in funzione della resa C p : P = 0,5 C p ρ π r 2 w v 3 Al variare della velocità del vento ci sono diversi punti di funzionamento della macchina. Avere più generatori elettrici (o più avvolgimenti) consente di scegliere la potenza più adatta alla velocità del vento che agisce.

15

16 Curva di potenza Potenza elettrica resa disponibile al variare della velocità del vento L energia E p (v) resa disponibile dalla macchina è data dalla somma dei prodotti delle potenze elettriche P e (v) per il numero di ore H(v) disponibili a quella velocità: E p (v) = P e (v) H(v) L energia elettrica E e effettivamente prodotta dipende dalla disponibilità d(v) della macchina alle diverse velocità del vento. La disponibilità dipende dalla affidabilità della macchina

17

18 Potenza max in uscita Wp : 400 Tensione in uscita V : 12V o versione a 24V Velocità del vento minima: 3,13 m/s Diametro rotore mm : 1150 Peso kg : 5,85 Prezzo 1221

19 Nominal power Nome GEV 5/5 or 6/5 5 kw Alizés GEV 7/10 10 kw Lastours GEV 10/20 20 kw Gazelle GEV 15/60 60 kw Caraïbes GEV MP250/2 75 kw Bastien

20

21 L energia ricavata viene trasferita attraverso un cavo dal generatore a magneti permanenti all utente. Il regolatore elettronico di carico, la batteria ed il convertitore trovano posto nella struttura portante dell impianto eolico. Da qui la tensione a 24 V in CC viene convertita in una tensione a 220 V 50 Hz in CA. Il convertitore viene utilizzato per l alimentazione delle diverse apparecchiature. A seconda dell intensità del vento l utente riceve una certa quantità di corrente direttamente dal vento (tramite il regolatore) ed il resto, se necessario, dalle batterie o viceversa.

22 Generatore sincrono Permette la produzione di potenza reattiva variabile (controllo della tensione ai poli) Sono preferibili per utenze isolate Generatore ad induzione Permette una connessione più soft alle frequenze di rete Problemi di adattabilità alle basse velocità del vento Necessità di equipaggiarli con dei capacitori per compensare la potenza reattiva

23 Turbine ad asse verticale

24 Un generatore eolico ad asse verticale (VAWT, in inglese Vertical Axis Wind Turbines) è un tipo di macchina eolica contraddistinta da una ridotta quantità di parti mobili nella sua struttura, il che le conferisce un'alta resistenza alle forti raffiche di vento, e la possibilità di sfruttare qualsiasi direzione del vento senza doversi riorientare continuamente. È una macchina molto versatile, adatta all'uso domestico come alla produzione centralizzata di energia elettrica nell'ordine del MW. I requisiti statici e dinamici che bisogna rispettare non consentono di ipotizzare rotori con diametri molto superiori a 100 metri e altezze di torre maggiori di 180 metri. Queste dimensioni riguardano macchine per esclusiva installazione offshore. Le macchine on-shore più grandi hanno diametri di rotore di 70 metri e altezze di torre di 130 metri.

25

26

27 L idroelettrico Le turbine convertono l energia potenziale dell acqua, valutata in base al carico idraulico disponibile H stat, in energia elettrica. Il principio di funzionamento si basa nel rendere l albero della macchina rotante a velocità angolare ω elevata. P = M R ω M R = momento torcente al rotore ω dipende dalla disposizione delle pale

28 Principio fisico La potenza P ottenibile è pari a: Q = portata di acqua [m 3 /s] H g = salto [m] P = Q [H g ρ g + ½ ρ (w 2 out w 2 in)] In realtà devo considerare il rendimento dell impianto η: P = Q [H g ρ g + ½ ρ (w 2 out w 2 in)] η η comprende il rendimento della turbina, del trasformatore, del moltiplicatore di giri Tipicamente: η = 0,6 0,9 Melegnano (MI) H = 4,8 m Q = 3000 l/s P = 127 kw Kaplan Citeroni (AP) H = 110m Q = 40 l/s P = 43,14 kw Francis

29 Tipologia di impianti Se si considera la potenza installata nella centrale: - grandi impianti idroelettrici: chiamati anche semplicemente idroelettrici ed aventi una potenza superiore a 10 MW; - impianti idroelettrici minori o mini-idroelettrico, con potenza inferiore a 10MW (in Italia si tende a parlare di idroelettrico minore fino al limite di 3 MW); - pico centrali P< 5 kw In base alla portata derivata (Q) da un impianto idroelettrico, si distinguono: - impianti a piccola portata: Q<10m 3 /s; - impianti a media portata: 10m 3 /s<q<100m 3 /s; - impianti a grande portata: 100 m 3 /s<q<1.000 m 3 /s; - impianti ad altissima portata: Q>1.000 m 3 /s.

30

31

32 Capacità Teorica Lorda (CTL): è l energia potenziale annualmente disponibile in una nazione se tutte le risorse idroelettriche sono utilizzate con il 100% di efficienza Capacità Tecnica Sfruttabile (CTS): è l ammontare della capacità teorica che può essere sfruttata nei limiti delle tecnologie attuali Capacità Economicamente Sfruttabile (CES): è l ammontare della Capacità Teorica Lorda che è economicamente sfruttabile nei limiti della tecnologia corrente e con le locali condizioni economiche. CTL CTS CES TWh/yr TWh/yr TWh/yr Africa > > > 820 Nord America > > 1126 Sud America > > > 1533 Asia > > > 3279 Europa > 1612 Medio Oriente >121 Oceania 495 > 189 > 69

33

34

35 Impianto in alveo con sbarramento

36 Turbine FRANCIS a flusso centripeto salto idraulico fino a circa 500 m rendimento oltre il 90% per carico oltre il 60% del massimo velocità fino giri/min Turbina PELTON a flusso tangenziale salto idraulico oltre i 500 m rendimento oltre 85% per carico oltre il 30% del massimo non presenta cavitazione Turbina KAPLAN basse cadute idrauliche pale regolabili elevate portate ottimi rendimenti ai bassi carichi

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46 Mini turbina portatile (D. Hull)

47

48 Enki (Enrico Morais)

49